低聚木糖對家禽腸道健康影響的研究進展

胡紅偉，閆凌鵬，麻嘯濤，陳茹茹，任 帥，楊亞奇

（山西大禹生物工程股份有限公司，山西 運城 044600）

自20 世紀50 年代以來，抗生素生長促進劑（AGPs）由于具有促生長和預防動物疾病的功能，作為藥物飼料添加劑廣泛應用于畜禽生產領域，隨著抗生素的廣泛使用，產生一系列負面作用，如細菌耐藥性及藥物殘留等問題。歐盟2006 年全面禁止AGPs 用作飼料添加劑。2012 年，美國食品藥品監督管理局獸藥中心頒布的“工業指南”中強調抗生素僅能用于動物疾病的治療，嚴禁用于促生長。因此，無抗環保的飼料添加劑是未來研究的趨勢。

許多科研工作者通過大量試驗尋找抗生素的替代品，如益生元、益生菌及植物提取物。益生元是不能被消化的組分（寡糖），能夠到達腸道后端，作為腸道微生物的底物被發酵產生能量、代謝產物及微量元素被機體利用[1]。低聚木糖（XOS）作為益生元的一種，是由多個木糖組成的寡聚糖，分子式為C5nH8n+2O4n+1，通過水解木聚糖獲得[2-4]。低聚木糖是一種非消化性寡糖，能夠顯著促進消化道雙歧桿菌及乳酸菌增殖，同時作用劑量小、性質穩定，近年來被廣泛的應用于食品、飼料及醫藥領域[5]。2013年發布的《飼料添加劑品種目錄》將低聚木糖歸入多糖和寡糖類別，主要適用動物為雞、豬及水產養殖動物。本文介紹了低聚木糖的理化性質、家禽腸道微生物組成和腸道微生物與家禽健康，綜述了低聚木糖對家禽腸道健康的影響。

1 低聚木糖的理化性質

低聚木糖分子由2～6個D-木糖以β-1,4糖苷鍵連接而成的碳水化合物，低聚木糖的成分為木糖、木二糖、木三糖以及少量木四糖以上的木聚糖，其中木二糖和木三糖是低聚木糖主要的功能性成分，含量越高，低聚木糖質量越好，生理活性越強。低聚木糖固體為乳白色粉末，易溶于水，甜味性質與砂糖相似，是砂糖甜度的40%。基于特殊的理化性質，低聚木糖被歸為非消化性寡糖，耐熱及耐酸的性能較強，在pH 2.5～8.0條件下，加熱1 h幾乎未被破壞，在120 ℃加熱1 h 仍很穩定，37 ℃放置2 個月，幾乎未破壞和損失。低聚木糖體外消化實驗證實，低聚木糖在唾液的殘留率為100%，而在胃液、胰液及小腸黏膜液的分別為99.9%、99.8%及99.6%，可見，消化道消化液對低聚木糖的利用率幾乎為零[6]。

低聚木糖廣泛存于食物中，如水果、蔬菜、蜂蜜、牛奶等，或者富含低聚糖的植物，如甘蔗渣、竹子、玉米芯、大麥秸稈、麥麩和棉花秸稈。許多研究者提到的低聚木糖聚合度達到20[7-8]。木聚糖的多糖鏈上除了有木糖單元外，還有很多側鏈基團，如6-D-木吡喃糖醛酸或其4-O-甲基衍生物、乙酰基團或呋喃阿拉伯糖基基團，因此，水解后的木糖可以得到具有分枝的低聚木糖。低聚木糖化學鍵的交叉連接決定了其生理功能的多樣性，低聚木糖的化學及生物學特性見附表[9]。

表1 低聚木糖的化學及生物學特性

2 家禽腸道微生物的組成

動物腸道內定植著種類豐富的細菌群體，細菌通過影響腸道形態、營養、發病機理和免疫反應來影響動物健康。腸道環境與特定的微生物種類密切相關的觀點已經被廣泛認同，例如在盲腸中，占絕對優勢的細菌為嚴格厭氧菌，包括梭菌（Clostridiaceae）和擬桿菌（Bacteroides），而兼性或微耗氧的乳酸菌（Lactobacillus）、鏈球菌（Streptococcus）及腸球菌（Enterococcus）構成了回腸微生物群體。動物的消化道在出生之前是一個無菌的環境，出生后來源于母體的微生物及環境中的微生物很快占據了消化道，關于腸道微生物種屬的組成和定植率的相關研究仍處于初級階段。相關研究表明，環境在動物早期腸道微生物的形成中起了重要作用[10]。

雞的消化道寄居者非常復雜的微生物群體，總共有來自100 多個屬的600 多種細菌。總的來說，雞腸道微生物中厚壁菌門（Firmicutes）占主要比例，其次是兩個小門，變形菌門（Proteobacteria）和擬桿菌門（Bacteroidetes）。另外，放線菌門（Actinobacteria）、無壁菌門（Tenericutes）、藍細菌（Cyanobacteria）和梭桿菌門（Fusobacteria）在家禽腸道中的含量非常低。細菌群體組成會因其所在消化道位置的不同而發生改變，嗉囊、砂囊、十二指腸和空腸有相似的微生物組成，主要是乳酸菌屬的細菌，部分鳥類乳酸菌的含量高達99%，嗉囊中的乳酸菌種類更多，空腸菌群主要由唾液乳桿菌（L.salivarius）和鳥乳桿菌（L. aviarius）組成。與十二指腸和回腸相比，空腸的微生物種類組成更加豐富，但是不穩定，空腸的微生物主要由乳酸菌、分節絲狀菌（Candidatus Arthromitus）、腸球菌（Enterococcus）、大腸桿菌（Escherichia coli/Shigella）和梭菌（Clostridium Ⅺ）組成[11-12]。盲腸中的微生物數量和種類是雞消化道中最多的，比其他所有消化道細菌的總和多，盲腸是細菌發酵非消化性碳水化合物的主要區域，也是病原微生物定植的主要位點，雞有兩個盲腸，有相似的微生物組成[13]。盲腸的微生物組成主要是梭菌屬的細菌，其次是乳酸菌和瘤胃球菌屬的細菌；梭菌綱的細菌主要分為3 個主要的科，分別為梭菌科（Clostridiaceae）、毛螺旋菌科（Lachnospiraceae）、瘤胃菌科（Ruminococcaceae）[14]。盲腸中還含有很多未知及未分類的細菌，在種的水平下，脆弱擬桿菌（Bacteroides fragilis）、彎曲乳桿菌（L.crispatu s）、約式乳桿菌（L. johnsonii）、唾液乳桿菌（L.salivarius）和羅伊氏乳桿菌（L.reuteri）組成盲腸微生物約40%的組分。動物糞便樣品是研究腸道菌群的有效手段，乳桿菌科（Lactobacillaceae）、消化鏈球菌科（Peptostreptococcaceae）、梭菌科（Clostridiaceae）、腸桿菌科（Enterobacteriaceae）是糞便中所含微生物的常見科類，蛋雞的糞便微生物比肉仔雞的更加復雜。

雞的腸道菌群可被分成4 個類群，被稱作腸道型（enterotype），與人類微生物組存在的三種腸道型類似，人類的腸道型與長期的飲食類型、基因、年齡、性別及體重指數等相關，關于雞的腸道型研究較少，有相同腸道型的雞，同樣孵化、同樣飲食以及生長環境條件一致的雞仍存在個體差異，這主要歸因于現代的工業家禽生產方式，所有的雞都在無菌環境下孵化和飼養，不能得到母源的細菌，周圍環境的細菌是影響腸道微生物變化的主要原因。

相關研究已經證實，雞腸道微生物受日糧、性別、背景基因型、雞舍條件、飼喂限制和養殖密度的影響[15]。此外，隨著家禽日齡的增加，微生物組的復雜性會相應增加，某些細菌會逐漸消失，一些細菌會存在于家禽的整個生長周期中。硬壁菌（Firmicutes）在雛雞腸道中占優勢，擬桿菌（Bacteroidetes）在7 個月以上的成年雞腸道中占優勢。Videnska 等研究蛋雞從孵化到60 周齡的盲腸微生物變化，發現第1周占高度優勢的菌群為腸桿菌科（Enterobacteriaceae）細菌；第2～4 周，毛螺菌科（Lachnospiraceae）和疣嶶菌科（Ruminococcaceae）的細菌占優勢；第2 到6 個月盲腸主要微生物為厚壁菌，擬桿菌大量死亡；＞7 個月的成年雞，厚壁菌與擬桿菌的比例維持在恒定的狀態[16]。

3 腸道微生物與家禽健康

腸道益生菌是抵御病原菌的主要屏障，腸道微生物與宿主相互關系的紊亂是腸道菌群失調的主要原因。雞感染產氣莢膜梭裝芽孢桿菌（Clostridium perfringens）、艾美球蟲（Eimeria）、腸炎沙門氏菌（Salmonella Enteritidis）后，顯著改變了盲腸微生物組成[17-19]。雞腸道微生物能夠調節腸道腸道基因的表達、T 細胞介導的免疫和加速腸道免疫系統的成熟。而且，腸道微生物之間以及腸道微生物與宿主之間相互影響，改變寄主的生理功能。乳桿菌、瘤胃球菌及梭菌能夠提高生產性能[20]。在雞的盲腸中，梭菌屬細菌集群Ⅳ和XIVa 是主要的丁酸產生菌，能促進家禽生長。丁酸不僅是腸道上皮細胞的重要能源，還能通過作用細胞激素抑制炎癥反應。宏基因組分析盲腸微生物，發現200多種非淀粉多糖降解酶及與短鏈脂肪酸生產相關的路徑，短鏈脂肪酸不僅能為家禽提供能量，還能降低腸道pH，抑制病原菌生長，促進礦物質的吸收。

4 低聚木糖對家禽腸道健康的影響

4.1 抑制有害菌，促進腸道益生菌的增殖，調節腸道菌群結構

由于獨特的理化性質，低聚木糖不能被產氣莢膜梭菌、大腸桿菌、沙門氏菌等腸道有害菌利用，同時低聚木糖可競爭性與病原菌的外源凝集素結合，減少病原菌對腸黏膜的吸附作用，使其因營養缺乏而死亡，同時激活機體免疫能力，增強對病原菌的抵抗力。

低聚木糖選擇性地促進腸道內乳球菌、乳桿菌及雙歧桿菌等益生菌的生長，益生菌發酵低聚木糖產生乙酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸既可以降低腸道pH，又可以為家禽腸道供能，同時加速腸道蠕動，防止食物在家禽腸道過度發酵產生有害物質。腸道中乳酸菌、雙歧桿菌等益生菌的大量增殖，與病原菌競爭腸黏膜活性位點，抑制病原菌生長，同時益生菌代謝過程中釋放部分消化酶，促進營養吸收。

范程瑞等在體外狀態下，研究了不同粒度低聚木糖大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和沙門氏菌3種常見畜禽致病菌的抑菌性能，發現不同粒度低聚木糖均有抑菌效果[21]。張洪文等研究低聚木糖添加對種肉雞腸道微生物的影響，結果表明，試驗組大腸桿菌數目顯著低于對照組，乳酸桿菌數目顯著高于對照組[22]。Digantkumar 等在體外條件下利用青春雙歧桿菌（Bifidobacterium adolescentis）、兩歧雙歧桿菌（Bifidobacterium bifidum）、發酵乳桿菌（Lactobacillus fermentum）和嗜酸乳桿菌（Lactobacillus acidophilus）發酵低聚木糖，結果顯示，雙歧桿菌屬細菌比乳桿菌屬細菌生長速度更快[23]。低聚木糖的降解需要β-葡聚糖酶、α-葡萄糖醛酸苷酶、α-L-阿拉伯呋喃糖酶、乙酰木聚糖酯酶和木聚糖酶等多種酶組成的酶系，雙歧桿菌屬細菌具有以上多種酶系，而乳酸菌屬細菌分泌β-葡聚糖酶的能力不足，限制了乳酸菌的生長；雙歧桿菌分解的水解酶系在腸道中發揮作用，可以降解上消化道不能消化的低聚糖，同時產生短鏈脂肪酸，降低腸道pH。

Mohsen 等對添加低聚木糖日糧的AA 肉仔雞進行腸炎沙門氏菌（Salmonella Enteritidis）攻毒實驗，結果表明，與感染對照組（PC）相比，飼喂低聚木糖試驗組（XOS 組）盲腸沙門氏菌減少10 倍，乳酸菌（Lactobacillus）、羅斯氏菌（Roseburia）和梭菌（Clostridium）的相對豐度顯著增加，但沒有改變盲腸微生物的多樣性；添加低聚木糖顯著減少了盲腸集合淋巴樣組織中白細胞介素6（IL-6）、脂多糖誘導的腫瘤壞死因子α（LITAF）等促炎細胞因子的表達[24]。該研究與Thibodeau 等日糧中添加有機酸用空腸彎曲桿菌（Campylobacter jejuni）研究結果一致[25]。Mohsen等通過高通量測序測定回腸及盲腸樣品的V1-V3 區16S rRNA 基因序列，分析不同劑量低聚木糖對肉仔雞腸道微生物的影響，發現某些細菌的相對豐度發生了改變，整體微生物多樣性未受到影響，高劑量添加的低聚木糖（2g·kg-1）增加了盲腸中乳酸菌和乳酸、丙酸等短鏈脂肪酸的比例；相關關系分析表明，盲腸乳酸菌的相對豐度與盲腸乙酸濃度成正相關，回腸中丙酸桿菌的濃度與丙酸鹽的濃度成正相關[26]。De Maesschalck 等在小麥型日糧中添加低聚木糖，證實低聚木糖能夠顯著增加肉仔雞結腸中乳酸菌的數量以及盲腸中梭菌集群XIVa 數量，而且結腸中編碼丁酸生產過程中關鍵酶的基因拷貝、丙酰CoA、乙酰CoA 的數量顯著增加；在種水平上，結腸中彎曲乳桿菌（Lactobacillus crispatus）和盲腸中丁酸厭氧桿菌（Anaerostipes butyraticus）明顯增加，通過體外發酵實驗證實彎曲乳桿菌與丁酸厭氧桿菌具有互利共生關系，彎曲乳桿菌可以發酵低聚木糖產生乳酸，而丁酸厭氧桿菌可以以乳酸為底物生產丁酸，丁酸能提高腸道對病原菌的非特異性免疫能力，增加腸道上皮細胞的完整性[27]。Loredana 等給肉仔雞飼喂由長雙歧桿菌PCB133（Bifidobacterium longum PCB133）和低聚木糖組成的合生元，研究該合生元對肉仔雞空腸彎曲桿菌（Campylobacter jejuni）的影響，1 日齡的肉仔雞感染空腸彎曲桿菌M1 菌株，分別在第1 天（C 組）和第14 天（B 組）飼喂合生元，對照組不添加合生元（A 組），各組分別在第10、20、30、39 天取盲腸內容物，通過實時PCR 測定盲腸內容物DNA提取物，結果表明，C組的空腸彎曲桿菌的數目顯著低于A 組與B 組（P＜0.05），各處理盲腸雙歧桿菌屬細菌數目差異不顯著，說明早期添加該合生元效果較好，因為肉仔雞生長初期，腸道微生物發育不健全，對環境更加敏感[28]。

4.2 提高家禽腸黏膜免疫功能，改善腸道組織形態

腸道是家禽消化吸收的部位，也是機體最重要的免疫器官，腸黏膜覆蓋在腸道表面，具有多種生理功能，腸黏膜是機體防御外來有害物質的重要屏障，主要由三道防線組成，第一道防線為腸道菌群，腸道菌群附著在腸黏膜的外表面，有效避免有害菌的定植；第二道防線為淋巴細胞分泌的免疫球蛋白，抑制病原菌；第三道防線為腸道中的免疫細胞，如B淋巴細胞、T淋巴細胞等。

Min 等在1 日齡Cobb48 肉仔雞日糧中添加由枯草芽孢桿菌、低聚木糖和甘露寡糖組成的合生元，研究其對肉仔雞腸道組織形態和腸黏膜免疫球蛋白lgA 的影響，結果顯示，在21～42 日齡階段，添加該合生元可以顯著增加十二指腸、空腸和回腸的絨毛高度及絨毛高度和隱窩深度的比值（VH/VC）（P＜0.05），同時顯著增加腸黏膜lgA 抗體的含量（P＜0.05），說明該合生元促進了腸絨毛的發育及lgA 抗體的分泌[29]。分泌性免疫球蛋白lgA 在腸黏膜免疫防御中發揮重要作用，lgA 的缺乏可導致細菌的過度生長，改變細菌黏附力及轉移能力[30]。Toloei 等認為，IgA 能刺激體液免疫產生更多抗體，覆蓋在腸黏膜表面，保護小腸絨毛免受損壞[31]。Ding 等研究了低聚木糖對28周齡White Lohmann 產蛋雞空腸絨毛高度及絨毛高度隱窩深度比值（VH/VC）的影響，結果表明，空腸絨毛高度與VH/VC值隨著日糧中與低聚木糖添加量的增加成線性正相關關系，并且空腸的相對長度隨著低聚木糖添加量的增加而顯著增加（P＜0.05）[32]。低聚木糖在腸道內發酵可以產生丁酸，丁酸為腸黏膜提供能量，可能是改善腸道組織形態的原因[33]。

5 結論與展望

目前，低聚木糖對家禽腸道菌群影響的相關研究仍處于初級階段，低聚木糖的添加引起腸道菌群的改變菌種研究局限于門和屬的水平，關于微生物種水平的相關研究鮮有報道，所以不能精確的描述腸道菌群的變化。同時，目前大部分研究主要集中于雙歧桿菌屬、乳酸菌屬的腸道菌群變化，并認為益生菌主要存在于這兩個屬。事實上，存在于其他屬的細菌對腸道健康也有可能是有益的，丁酸梭菌（C.butyricum）和普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）這兩個梭菌屬成員，對腸道健康是有益的；而某些乳酸菌和雙歧桿菌有可能誘導代謝活動、免疫反應和黏膜屏障功能上的改變[34]。目前研究一直認為低聚木糖到達盲腸后，被盲腸中的土著菌代謝成的短鏈脂肪酸發揮生理功能，而其他代謝產物如膽汁酸和多胺等物質的作用則研究較少。未來通過宏基因組結合代謝物譜，能更好地研究腸道菌群的代謝途徑以及低聚木糖在代謝途徑中所起的作用。